利用軋鋼加熱爐所產低壓蒸汽發電的探討

戎維維，陳 揚，趙 彬

(天津鋼鐵集團有限公司長材廠 天津 300301)

0 引 言

經過多年發展，軋鋼加熱爐水梁汽化冷卻技術已成為一種較成熟的節能技術并得到了廣泛應用。與較早的水冷卻技術相比，它大幅減少了耗水量，同時能夠得到有較大使用價值的飽和蒸汽，具有良好的經濟效益和社會效益。目前，國內絕大多數軋鋼加熱爐均采用汽化冷卻，該系統通常按低壓蒸汽鍋爐的標準進行設計建造，工作壓力為0.4～1.6,MPa。

以天津鋼鐵集團有限公司長材廠為例：加熱爐汽化冷卻系統設計運行壓力為 1.27,MPa，單爐飽和蒸汽產量為 4,t/h左右。在實際運行中，由于要與設計壓力為0.8,MPa(實際運行壓力小于 0.5,MPa)的公司低壓蒸汽管網并網，實際運行壓力為0.8,MPa。所產蒸汽除極少部分用于廠內冬季管線伴熱外，其余全部供給蒸汽管網。

汽化冷卻系統與其他類似系統回收生產中的余熱制備低壓蒸汽相比，具有明顯的節能效益。但現階段低壓蒸汽的使用方式還存在不少問題：除少部分用于設備保溫、管道吹掃外，主要用于采暖、食堂、洗浴等生產輔助環節；在夏季或蒸汽有富余的時段，還存在為數不少的放散。

除去放散直接浪費的情況，低壓蒸汽主要集中在對蒸汽冷凝后的潛熱利用，對更有價值的做功能力幾乎全部舍棄，因此使用方式存在嚴重的能量浪費。如果能夠利用低壓蒸汽做功進而發電，將大大提高蒸汽利用效率，為工業生產中廣泛存在的低溫余熱資源提供高效利用的新途徑。

本文通過分析低壓蒸汽的特點和低溫余熱發電技術現狀，探討了這一技術用于汽化冷卻系統蒸汽發電的可行性。

1 汽化冷卻系統生產蒸汽的特點

1.1 蒸汽產量具有波動性，并且短期波動和長期波動并存

短周期波動主要受補水速度變化影響，當汽包過量補充新水時導致包內水呈現未飽和狀態，需要經過循環吸熱才能達到飽和，然后繼續吸熱汽化，在短期內影響蒸汽生產量，造成蒸汽的波動。圖 1為雙棒材某時間段內單爐及合計蒸汽量的變化情況。

長周期波動主要受爐內熱負荷變化和水梁包扎完好率的影響。加熱爐熱負荷變化由車間生產決定，原因較復雜；水梁的包扎完好率隨著運行時間逐漸降低，一般當包扎掉落 10%,時就應停爐檢修，對包扎進行修補，否則將嚴重影響加熱爐效率。

1.2 蒸汽干度較差

考慮到水梁結構和安全，汽化冷卻系統設計為生產低壓飽和蒸汽。系統一般選擇較小的汽包，出口處汽水分離效果較差，蒸汽含濕量較高；傳輸管道較長，沒有或只進行簡單保溫處理，加劇了傳輸過程中蒸汽的冷凝。

1.3 蒸汽中雜質較多

作為生產的副產品，生產部門對蒸汽潔凈度要求較低。蒸汽中雜質較多，主要包括：管道中生成的鐵銹，鈣鎂離子析出物，處理軟水時加入的藥劑、氯化鈉等物質。

2 動力機械選取

目前主要有小型蒸汽輪機和螺桿膨脹機，適合這種壓力較低、品質較差的小規模蒸汽。

2.1 汽輪機

大型電站通常使用蒸汽汽輪機進行發電，它具有單機功率大、效率高、壽命長等優點。蒸汽輪機結構復雜，價格及制造難度較高，比較適合蒸汽量較大的場合，我國目前最小的蒸汽輪機功率為 750,kW。[1]

常規汽輪機使用有一定過熱度的過熱蒸汽，[2]專門設計的飽和蒸汽汽輪機對蒸汽品質的要求也較高。如果蒸汽中夾帶水滴或其他異物，運行時沖擊高速旋轉的葉片，會造成葉片腐蝕、振動，嚴重的會導致安全事故。

2.2 螺桿膨脹機

螺桿膨脹動力機屬于回轉容積式膨脹機，通過改變容積使蒸汽膨脹做功。從結構上可分為雙螺桿膨脹機和單螺桿膨脹機。

螺桿膨脹機適合流量較小的場合，功率一般在10～1,000,kW 之間。對蒸汽壓力限制在 0.15～3.0,MPa，溫度小于300,℃，適用于絕大多數工業蒸汽系統。

不同型號機器的實測數據表明，在中小容量范圍內(1,500,kW)，螺桿膨脹機的效率要比透平膨脹機及汽輪機高10%,～20%,，其制造成本要小于透平膨脹機和汽輪機。[3]另外，它對工況的適應性較強，當負荷減至滿負荷的 60%,時，效率僅下降 10%,。[4]

螺桿膨脹動力機是一種全流式動力機，適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物。螺桿與螺桿、螺桿與機殼之間的相對運動可以去除間隙的污垢，未能除去的污垢可起到減小間隙的作用，減少泄漏損失，反而能夠提高機組效率。

與蒸汽輪機相比，螺桿膨脹動力機的投資較少，運行費用較低，控制和維修方便，使用安全。

總之，與汽輪機相比，螺桿膨脹機更適用于規模較小、工況條件較差的工業低壓飽和蒸汽發電系統。

3 發電機選擇

本文主要從速度類型角度對發電機選型問題進行分析。

3.1 定速恒頻發電機

定速恒頻發電機要在一個額定的轉速下運行，并且轉速與發電頻率嚴格對應。當動力機輸出功變化時，通過調節扭矩來改變發電功率。

機組并網運行時，如果動力機輸出功較小，無法維持額定轉速，發電機受電網鉗制，將會從電網吸收電能反過來驅動系統保持轉速，此時發電機組會成為耗電的電動機。

3.2 變速恒頻發電機

變速恒頻發電機轉速可在很大的范圍內變化，發電的頻率與轉速無關，通過特殊的運行結構或轉換裝置保證發電頻率恒定并向外供電。該類發電機在允許范圍內，發電功率和發電機轉速成正比。當動力機轉速高時發電量較多，反之發電量就少。

3.3 兩者的比較

從機組變負荷適應能力角度分析：兩類發電機對波動都具有一定的適應性；但當蒸汽量減少到臨界點時，變速發電機組可以降低速度減少發電直至停機，在這個區間，恒速機組如不能及時斷網將成為耗能機。

從蒸汽膨脹做功的角度分析：當蒸汽量偏離最佳點時，變速發電機通過改變轉速，可始終保持蒸汽最佳膨脹比；恒速發電機組蒸汽則會出現過膨脹或膨脹不充分，造成機械轉換效率的降低。

綜上所述，變速恒頻發電機組更適合蒸汽頻繁波動的情況，且能夠維持較高的系統效率。

4 并網方式

小型發電系統發電功率一般只有幾百千瓦，通常作為小型分布式發電系統進行供電。發電量全部供車間自用，無需并入外網，可以避免電力上網報批等繁瑣手續。

具體并網方式為：發電機發出的電力經自動校準同步裝置在 0.4,kV 側低壓母線與電網并網，所發出的電能全部供給負荷。[5]對于蒸汽波動對發電量的影響，由于波動量在 100,kW范圍內，相對于生產車間上萬千瓦的供電規模，系統對廠內電網的沖擊在安全范圍內，一般不需要采取措施進行控制。

5 系統方案設計

本文給出了壓差發電或全壓發電兩種蒸汽發電方案，分別針對有低壓蒸汽需求的用戶和純電力需求用戶，回收機械為螺桿膨脹機。

5.1 壓差發電

此方案將 1.2,MPa飽和蒸汽引入螺桿膨脹機做功，帶動發電機發電(見圖2)。通過膨脹機膨脹比選擇和運行工況的控制，使出口蒸汽具有 0.2,MPa表壓。這些蒸汽再經管網分配給附近食堂、洗浴、辦公樓等部門，滿足這些用戶的用熱需求。

5.2 全壓發電

該方案盡可能利用蒸汽能量做功，通過冷凝器和真空泵使出口蒸汽壓力低于大氣壓。乏汽在冷凝器中凝結，冷凝水經冷凝水泵輸送回軟水箱供汽化冷卻系統循環使用(見圖3)。

圖2 蒸汽壓差發電方案Fig.2 Scheme of differential pressure power generation using heating steam

圖3 蒸汽全壓發電方案Fig.3 Scheme of full pressure power generation using heating steam

6 發電效益計算及分析

表1給出了兩種不同方案帶來的發電收益。

由表中數據可以發現：壓差發電方案發電功率只有全壓發電的51.7%,，但出口表壓0.2,MPa的低壓蒸汽仍能夠供下游蒸汽用戶使用，較適合附近有低壓蒸汽需求的場合，蒸汽的整體利用率較高。

全壓方案發電量較大，且可以回收軟化水繼續循環使用，發電效率較高。如果方案利用加熱爐助燃空氣作為冷凝器冷卻介質，在冷凝蒸汽的同時可預熱助燃空氣，同樣可以提高余熱的利用率。

表1 不同蒸汽發電方案的收益Tab.1 Comparison of benefits from different power generation schemes

7 結 論

利用類似汽化冷卻系統生產的低壓飽和蒸汽發電，在技術上是可行的，并且能夠獲得到很好的經濟效益。該技術的推廣將為低溫余熱資源的高效利用擴展新途徑，改變現有低壓蒸汽的使用方式。■

［1］劉林頂.單螺桿膨脹機及其有機朗肯循環系統研究[D].北京：北京工業大學，2010.

［2］汪玉林.低溫余熱能源發電裝置綜述[J].熱電技術，2007(1)：1-4.

［3］余岳峰，胡達，鄧金云，等.螺桿膨脹動力機技術及在低溫余熱發電中的應用[J].上海節能，2011(7)：22-25.

［4］刁安娜，楊毅，王亞洲.螺桿膨脹動力驅動技術在余熱余壓回收中的應用[J].上海節能，2013(6)：37-42.

［5］莫賓，蔡鳴，蔣潔.利用低壓飽和蒸汽發電的實例[J].云南化工，2001，38(5)：57-59.